搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术,可以有效避免熔化焊中存在的裂纹、气孔等问题,而且具有焊接变形和残余应力小等优点,所以在众多工业领域得到了广泛的应用。但由于焊接过程中需要一定的下压量来保证焊缝成形,因此焊缝减薄现象难以避免。焊缝减薄对接头的成形质量和力学性能带来不利的影响,成为搅拌摩擦焊亟需解决的问题。为了获得高强优质的搅拌摩擦焊接头,本课题基于“一次焊接,二次成形”理念,自主设计了一种新型双层轴肩焊具,实现无减薄搅拌摩擦焊。基于无减薄搅拌摩擦焊,获得了表面均光滑平整的焊缝,无飞边和焊缝减薄现象产生,良好的表面成形减少了焊后打磨的工作量,生产效率得到大幅提高。对接头进行三维形貌分析,接头过渡平缓,焊缝与母材的高度接近。接头的减薄量均不大于0.02 mm,达到了无减薄搅拌摩擦焊减薄量不大于母材板厚1%的预期目标。无减薄搅拌摩擦焊接头有两个轴肩作用区,分别为内轴肩作用区和外轴肩作用区。采用无减薄搅拌摩擦焊的接头内部成形致密,无隧道型缺陷产生,可以在较宽的工艺窗口内保证良好的接头内部成形。无减薄搅拌摩擦焊接头的显微硬度呈现出“W”型分布,显微硬度最低点出现在热影响区。随着焊接速度的增大和旋转速度的减小,接头的整体显微硬度增大,且热影响区变窄。当旋转速度为600 rpm,焊接速度为400 mm/min时,接头抗拉强度最大为231 MPa,接头强度系数高达91%。无减薄搅拌摩擦焊的接头强度系数远高于文献报道的常规搅拌摩擦焊的接头,说明无减薄搅拌摩擦焊避免了焊缝减薄带来的不利影响,提高接头的力学性能。无减薄搅拌摩擦焊接头的材料流动速度随着与焊缝中心距离的增加而减小,搅拌针附近的材料流动方向向下,远离搅拌针的材料流动方向向上。内置小轴肩对塑性材料的聚集作用有限,不能完全阻止材料外流。外置大轴肩对外流的材料起到了限制约束作用,避免了材料外流,防止了焊缝减薄。无减薄搅拌摩擦焊的成形机制可以总结为“一次焊接,二次成形”。在焊接时,内置小轴肩和搅拌针提供一次成形作用,保证内部和底部成形;外置大轴肩对外流的塑性材料起到限制和回填作用,提供二次成形作用,保证表面成形,同时进一步促进了一次成形作用,内部成形得到了进一步改善,有效避免内部缺陷的产生。